熱回收與太陽能熱泵干燥系統試驗及性能研究

蔣綠林+王昌領+紀國劍

摘要：設計一種凝結式熱回收熱泵和太陽能熱泵聯合干燥裝置，回收干燥廢氣的能量，并利用雙級加熱的方法，以提高各級熱泵效率。搭建熱泵干燥測試平臺，對設備進行試驗測試，結果表明，在平均輻照強度為625 W/m2、環境溫度為22.3 ℃時，熱風溫度可達40～70 ℃，熱泵干燥系統平均能效比高達3.89，干燥能耗除濕量平均達 1.65 kg/（kW·h），均遠高于傳統干燥系統。可見，該系統可應用于干燥農副產品及某些物料的預干，提高可再生能源利用效率，減少化石燃料的消耗。

關鍵詞：可再生能源；干燥系統；雙級加熱；太陽能熱泵；凝結熱回收

中圖分類號： S214 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0354-05

直膨式太陽能熱泵將太陽能集熱器和熱泵蒸發器合二為一，可以充分利用太陽能這一可再生能源以及熱泵裝置與太陽能集熱器有機結合。既提高了太陽能的集熱效率，又提高了熱泵的蒸發溫度，一直是研究的熱點。在太陽能熱泵干燥方面，Hawlader等的試驗驗證了“直膨式太陽能熱泵干燥系統中集熱蒸發器的熱效率高于一般的空氣集熱器的熱效率”這一結論[1]，與Sporn等的預測[2]吻合。此外，試驗還發現，分別對空氣預除濕或增加集熱蒸發器內制冷劑流量，會使空氣集熱器和集熱蒸發器的熱效率大大提升。在太陽能熱泵干燥應用研究方面，Helmer等運用太陽能干燥與除濕干燥木材時發現，窯殼和濕材的預熱過程加快，不僅可以縮短干燥周期、節省費用，還可減少干燥除濕設備對氣候條件的依賴性[3]。Othman等研究了4種帶顯熱儲能的太陽能熱泵聯合干燥系統，并在農業上得到了應用，克服了太陽能不連續的缺點[4]。Berdal等研究了不同的環境條件對太陽能熱泵干燥系統運行和熱性能的影響[5]。Mustafa等對4 mm厚的蘋果片干燥時發現采用太陽能和熱泵聯合干燥將提升干燥效率，縮減干燥時間[6]。國內對太陽能熱泵干燥技術的研究起步相對較晚。20世紀80年代初，北京林業大學趙忠信等對太陽能熱泵聯合干燥除濕方面進行了詳細的理論研究，得出一種值得推薦的太陽能加熱熱泵除濕聯合物料干燥方法[7]。研究者相繼開發了太陽能熱泵干燥木材裝置[8]，中、高溫型太陽能-熱泵除濕聯合木材干燥系統[9]，太陽能熱泵聯合干燥木材裝置[10]，太陽能熱泵聯合干燥肉制品裝置[11]，空氣集熱陣列型太陽能-熱泵除濕干燥系統[12]。此外，在種子、食品、藥材及化工原料等干燥方面也取得了一定的研究成果[13-18]。前人在研究熱泵干燥系統時，多采用裸板式集熱蒸發器，以保證蒸發溫度較低，進而提升集熱蒸發器的性能，但是較低的蒸發溫度會大大降低熱泵的性能。如何選擇合適的蒸發溫度以實現太陽能熱利用和熱泵系統性能的最佳匹配還需深入研究。因此，本試驗研究了不同氣象條件對熱泵系統能效比（COP）和除濕能耗SMER的影響規律，對工程設計有一定的指導意義。

1 干燥系統與試驗裝置

1.1 聯合干燥系統原理及構造

本試驗提供了一種穩定且高效運行的凝結式熱回收與太陽能熱泵聯合干燥裝置。其中，凝結式熱泵系統回收干燥廢氣（空氣）中的大量熱量（特別是潛熱），對干燥介質（新風）進行一級加熱，太陽能熱泵對干燥介質進行二級加熱，如圖1所示。產品在滿足大多數物料干燥工藝要求的同時，相比常規干燥方式既節省了大量能源，又降低了環境污染。此外，圖1中數字為干燥介質空氣試驗測點布置。1.2 試驗裝置及測量系統

根據聯合干燥系統原理，設計并建立一套干燥功率為0.5 kW凝結熱回收和太陽能熱泵多級干燥試驗臺。試驗臺主體包括凝結式熱回收熱泵系統、太陽能熱泵系統、干燥系統及測試系統四大部分。其中，太陽能熱泵系統包括太陽能集熱蒸發器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥等主要部件。集熱蒸發器為帶蓋板和邊框與底邊保溫的平板集熱器，表面采用藍鈦涂層，內部銅管與集熱板采用管翼式結合方式，蛇形走管。由于江蘇常州本地的緯度在32°左右，因此試驗時的集熱/蒸發器的傾角調整在35°左右，如圖2-a所示。冷凝器采用8路3排管設計，迎風面積為0.04 m2。壓縮機采用海立公司生產的WHP02830BSV海立高溫壓縮機，使用于中高溫工況，制冷劑為R134a，額定冷量為2 130 W。熱力膨脹閥采用外平衡式熱力膨脹閥。凝結式熱回收熱泵包括凝結式蒸發器、冷凝器、壓縮機和膨脹閥等，其中冷凝器結構、壓縮機和膨脹閥與太陽能熱泵系統相同。干燥系統包括干燥房、送風室和排風室，室內安裝有蒸發器、兩級冷凝器、調速風機和風道等。干燥室采用泡沫夾層鋼板，內外進行聚苯板保溫處理。送回風道采用橡塑棉包裹保溫處理。圖2為干燥試驗裝置實物圖片。

測量數據主要包括：（1）氣象參數，即太陽輻射強度、環境溫濕度；（2）各級風口的溫濕度，即干燥室送風口、一級熱泵即熱回收熱泵冷凝器出風口、二級熱泵即太陽能熱泵冷凝器出風口、干燥室內、二級熱泵蒸發器入口即干燥室排風口、二級熱泵蒸發器出口即熱回收出風口；（3）壓縮機吸排氣壓力和溫度；（4）集熱蒸發器入口制冷劑流量（液態）；（5）干燥室送風口風速；（6）壓縮機總電能消耗；（7）物料干燥前、后質量等。其中，輻照強度采用TBQ-2太陽輻照儀，溫濕度采用羅卓尼克HL-NT-3-D型溫濕度記錄儀和HC2-S溫濕度探頭，儀器精度±0.8% RH/±0.1 ℃，制冷劑流量采用康創1010P便攜式超聲波流量計測量，精度為0.001 5～0.003 0 m/s，壓力采用真空壓力表測量，風速和物料質量分別采用DT-620風速儀和JSA電子稱測量。壓縮機吸、排氣溫度通過P8634-1型熱泵控制器調節。

2 評價參數

式中：Q為熱泵有效輸出熱量，kW；Wh為熱泵的消耗功率，kW；M為干燥系統的除水量，kg；Ws為干燥系統輸入能量，對于太陽能熱泵和熱回收熱泵聯合干燥系統，熱泵消耗功率等于干燥系統輸入能量，即為壓縮機和風機耗電量，kW·h。

3 性能分析

3.1 干燥介質焓值分布

對系統性能進行試驗測試，圖3為2014年4月9日氣象參數，其中最高氣溫T0為25.2 ℃，最低氣溫為18.5 ℃，平均氣溫為23.3 ℃，10：30之前和14：30之后為陰天，輻照強度較低，10：30—14：30之間為晴天，輻照強度良好，最大輻照強度H為917 W/m2，單日平均輻照強度為 625 W/m2。

由試驗測試系統可知，試驗時沿干燥介質流程共布置6個測點。由圖4可見，同一時刻下，干燥空氣（新風）經過一級冷凝器和二級冷凝器加熱后，空氣焓值（一級和二級等濕升溫）明顯增加，除濕能力大大增強，保證了干燥的速率和效果，進入干燥室后快速吸收物料水分成為高濕空氣，空氣焓值（降溫增濕）進一步增加達到最高值，然后高濕空氣經過干燥室出口凝結式熱泵蒸發器回收大部分能量后直排，此時干燥廢氣焓值（降溫減濕）顯著下降。其次，干燥室內空氣和排風焓值在試驗過程中先迅速上升，而后逐步提高，在干燥最后階段，由于物料已經充分干燥，室內空氣和排風焓值基本趨于穩定。

圖5進一步給出了3個不同時刻的干燥過程空氣焓濕圖，表1給出了圖5中關鍵空氣狀態點的參數值。圖中數字1、1′、1″分別代表09：30、12：30、15：30時刻的空氣狀態點（具體位置參考圖1），其余狀態點同理。由圖5可見，在09：30時，干燥空氣焓濕過程：1→2為空氣的一級等濕加熱過程，環境空氣經熱回收熱泵加熱后，溫度上升，相對濕度降低，焓值增加，熱回收熱泵貢獻率在60%左右；2→3為空氣的二級等濕加熱過程，一級加熱后的中溫熱空氣再經太陽能熱泵加熱，溫度進一步提升，相對濕度進一步降低，太陽能熱泵貢獻率在40%左右；3→4為熱干空氣在干燥室中和物料接觸換熱的過程，室內空氣溫度降低，相對濕度增加，含濕量增加，物料溫度上升，水分蒸發加快，經干燥室回風口排出的是含濕量較大的中溫空氣；4→5是溫濕空氣的冷卻除濕過程，回風口排出的含濕量較大的中溫空氣經過熱回收熱泵蒸發器，遇低溫低壓制冷劑管路溫度急劇下降，溫濕空氣達到其露點溫度（26.1 ℃），發生結露排出水分，狀態過程沿等相對濕度線變化，空氣進一步降溫，回收干燥廢氣潛熱和顯熱，完成一個空氣循環。其他時刻空氣狀態變化規律與09：30基本相同，區別在于隨著干燥過程的進行，由于環境空氣（新風）溫度增加和輻照強度先增加后減小，干燥系統送風溫度（3、3′、3″）、太陽能熱泵的貢獻率等也隨輻照強度變化表現為先增加后減小，而干燥空氣排風溫度（4、4′、4″）則保持增加，基本不受輻照強度變化影響，熱回收熱泵貢獻率基本不變。此外，需要特別指出的是在15：30過程4″→5″中，狀態空氣溫度高于狀態的露點溫度，所以不發生結露過程。

3.2 熱泵分系統COP分析

由圖6可以看出，熱回收熱泵制熱功率一直保持在 3.4 kW 以上，制熱COP基本保持在4.5左右，顯示出熱回收熱泵工作的穩定性，這與圖5中熱回收熱泵的貢獻率基本不變的結論一致。排風（廢氣）溫濕度高、焓能大，通過熱回收可有效減少廢熱排放，有利于提高熱泵蒸發溫度進而提高制熱功率和系統COP，對新風進行一級加熱。由圖7可見，冷凝器制熱和集熱蒸發器制熱功率和熱泵COP總體變化趨勢與太陽輻照強度變化相似（參考圖3），表現為先緩慢增加，再基本不變，最后緩慢降低。在 09：00—10：30之間和14：30以后，太陽輻照強度很弱，蒸發溫度很低，制冷劑的汽化吸熱量很少，造成COP很低，只有 2.2～3.0左右；在10：30—14：30期間，隨著太陽輻照強度顯著增加，蒸發溫度越來越高，制冷劑汽化吸熱量逐漸增大，制熱量增大，COP逐漸變大，最大接近3.5；太陽能熱泵平均COP保持在3左右。

3.3 系統干燥性能分析

通過干燥室回風口和送風口空氣含濕量的增量可得到除水量M和單位時間除濕量MER。由圖8-a可見，物料質量Mw隨干燥進行，先迅速下降，后緩慢下降。MER在干燥初期由于太陽輻照強度較弱，MER在350 g/h左右；當 10：30 之后輻照強度增強時，MER迅速上升，并穩定在 450 g/h 附近，隨著干燥的進行，MER也逐步下降，此時樣品干基含水率和濕基含水率逐步下降，在最后階段，如圖8-b所示，由于濕基含水率已低于10%，干燥速率大幅下降，至此干燥基本完成。

圖9進一步給出了不同時刻下整個聯合干燥系統的COP和單位能耗除濕量SMER的變化曲線，以及COP與SMER之間的關系曲線。由圖9-a可見，系統總的COP在3以上，平均在3.89左右，而傳統空氣源熱泵COP只有2～3。SMER在0.6～2.1之間變化，平均值為1.65 kg/（kW·h），高于傳統干燥器理論值1.596 kg/（kW·h）。圖9-b為熱泵COP與除濕能耗SMER關系曲線，其中理論關系曲線參考Brundrett的計算公式[19]，其中htg為100 ℃下水蒸氣汽化潛熱。多級聯合干燥系統試驗COP值隨SMER的增加而增加， 且高于理論計算值。這主要是因為Brundrett計算式忽略了空氣顯熱變化，同時，由于采用雙級熱泵系統，降低了各級熱泵的冷凝器溫度，顯著提高了系統總COP。

4 結論

綜上所述，太陽能熱泵采用集熱蒸發器有效地利用太陽能和空氣（太陽能熱泵蒸發溫度低于環境溫度）作為熱源，多級熱泵串聯的加熱方式顯著提高了系統各級熱泵和系統總的COP和干燥除濕SMER，完全滿足干燥的需求，主要結論有以下幾點：

（1）凝結式熱回收熱泵回收干燥室排氣廢熱，實現了干燥廢氣的降溫除濕和干燥介質一級等濕升溫，有效減少了干燥過程對環境的熱濕污染，熱泵系統COP高且穩定。

（2）直接膨脹式太陽能熱泵，實現了干燥介質的二次等濕升溫，有效利用了太陽能，熱泵系統COP變化規律與太陽輻照強度相似，但存在一定的滯后性。

（3）干燥介質（新風）的多級加熱，根據不同干燥物料以及相同干燥物料的不同干燥階段，后期優化可設置為4～6級加熱，進一步有效降低了各級熱泵的冷凝溫度，提高系統COP。

（4）在試驗條件下，系統平均COP可達3.89，平均除濕能耗SMER達1.65 kg/（kW·h），高于傳統干燥器理論值 1.595 kg/（kW·h），完全滿足中低溫干燥需求。

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